厚煤层短壁分层跳采矸石胶结充填技术应用研究

文/葛金福 左文强

相关统计表明，我国建（构）筑物下压煤炭多达94.68亿t，充填采煤不仅是提高煤炭资源回收率和安全生产的一项重要举措，也是解决矸石污染及处理城市固体垃圾的一个新方法。目前我国部分矿井通过矸石、膏体、似膏体、高水、超高水、城市垃圾等材料成功实施充填开采，最大限度“置换”压煤的同时有效控制了地表沉陷。内蒙古裕兴煤矿因棋盘井生态园压覆所采16号煤，故提出厚煤层短壁分层跳采矸石胶结充填绿色采煤法，实现了采充作业平行、工程造价低、现场施工高效、地表沉陷控制良好等效果，为类似建（构）筑物压煤条件开采提供了有益参考。

一、工程概况

裕兴煤矿11601充填面主采16号煤，工作面倾斜长约80m，煤厚约6m，煤层倾角平均8°，埋深约291m，普氏系数f=2.4，该煤层结构简单，无地质构造且夹矸较少；直接顶为2m厚的细粒砂岩，基本顶为6.22m厚泥砂岩互层，直接底为2.5m厚的炭质页岩，其下部为2m厚的细粉砂岩。

16号煤南部资源均压覆在棋盘井生态园之下，总压煤量达10Mt，在不影响正常开采部署、提高“三下”压煤资源采出率的同时，如何有效保护地表建（构）筑物是裕兴煤矿亟待解决的问题。

二、11601工作面设计

1. 11601工作面支巷宽度合理计算

通过实验对A.H.Wilson煤柱两区约束理论经验公式作进一步完善，得出煤柱处于三向应力时可承受的极限覆岩重力为：

式中：σs为煤柱承受的极限覆岩重力，MPa；c为粘聚力，MPa；φ为内摩擦角，°；λ为侧向压力及应力集中系数，取0.6；γ为覆岩平均容重，kN/m3；L为工作面长度，m；H为采深，m；a为煤柱留设宽度，m；M为煤层采厚，m。

11601工作面上分层初次短壁跳采后呈现留-采间隔布局，此时留设煤柱承担上方所有覆岩重力。考虑到开采范围较小及煤柱对顶板的夹持，直接顶不会冒落，故留设煤柱实际承受的覆岩重力为：

式中：σp为煤柱承受的实际覆岩重力，MPa；γ为上覆岩层平均容重，kN/m3；L为工作面长度，m；H为采深，m；a为煤柱开采宽度，m；b为煤柱留设宽度，m。

考虑到EBH200悬臂式掘进机最大截割宽度为5.5m，为方便工作面施工，保证设备灵活运行，确定煤柱留设宽度与开采宽度均为5m。

2. 11601工作面布置

结合长壁工作面的通风管理和短壁工作面采掘一体的特点，设计了全负压连采连充工作面。工作面巷道布置为一进一回，主巷、切眼形成工作面时采用全负压通风。运输平巷与16煤集中运输上山相连进风，回风平巷通过车场与16煤回风上山相连回风，支巷回采时采用局部供风机进行通风，支巷卧底时采用全负压通风，支巷充填时采用局部通风机供风。保证工作面具有两个安全出口。

工作面走向长度232m，支巷长度80m，支巷宽度5m，高度6m。支巷分两次回采，第一次回采上分层3.5m，第二次采用卧底的方式回采下分层2.5m，相邻支巷之间留设5m的煤柱。工作面的上、下平巷和联巷巷道宽度为5m，巷道高度为3.5m，回采上分层时采用玻璃钢单体支柱和木板坯做临时支护，实现掘支平行作业。

回采支巷采用EBZ-160综掘机自行装煤，通过刮板输送机（开门点拐弯选用防爆转载机运煤）与布置在运输平巷中的运煤胶带机搭接，最后与运输上山搭接构成运煤系统。回风上山与回风平巷布置运矸胶带机和输浆管路，矸石和浆料在充填支巷的上口充分混合，通过高压浆料直冲法或耙装机耙装推入采空区进行充填作业，充填时采取自上而下的方式充填，形成充填系统。两套系统互不影响，分工明确，提高了运煤和充填的工作效率，实现采充平行作业。

3. 11601工作面采充顺序

支巷回采采用跳跃后退开采方式，分上下分层两次回采。自开切眼起划分多个5m宽的条带支巷并依次编号，先开采上分层奇数支巷，开采后续奇数支巷的同时对已采支巷进行充填作业直到奇数号支巷全部完成充填；待奇数号支巷充填体稳定后开采上分层遗留偶数号支巷，同样在开采剩余偶数号支巷的同时充填已采偶数支巷。下分层采充顺序同上分层。

三、膏体连采连充工艺系统

裕兴煤矿井底煤矸分离系统及地面洗煤厂每年产生矸石约20万t，同时棋盘井附近存在大量的粉煤灰和砂石资源，为求效益最大化，充填方式确定应用比较简单的机械输送方式，采用皮带机运输矸石，地面制浆站制浆（水泥粉煤灰浆）。在顺槽和支巷交叉口设置搅拌槽，在下巷设置挡浆板，洗煤厂矸石经地面钻孔和煤矸分离矸石混合与地面制浆站产生的水泥粉煤灰浆在顺槽和支巷三岔门口专门混合池混合，搅拌后矸石浆通过高压浆料直冲法或耙装机充填支巷。矸石胶结充填系统流程如图1所示。

图1 矸石胶结充填系统流程示意图

1. 料浆制备系统

膏体料浆制备配比：普通42.5#水泥25%、粉煤灰25%、水50%，料浆浓度控制在50%左右，比重控制在1.25～1.35，设计28d充填体强度不小于2MPa。

料浆制备站制浆能力60m3/h，采取地面制浆方式，通过管道输送，主要包括地面制备站、钻孔工程、井下充填管路等。为了便于集中管理、减少设备和运输环节，合理利用现有场地，达到降低费用的目的，将地面设施和设备集中布置，建成集中的地面充填站，即将集料场、料仓、微机配比系统、搅拌系统（泵送系统）、监测系统等集中布置，将水泥、粉煤灰、胶结料配比、搅拌后利用静压（或充填泵加压）通过充填管路输送至充填工作面，利用2.5～3.0Mpa高压浆料与现场矸石充分搅拌混合，采用高压直冲法或耙矿机充填巷道，充填用水泥、粉煤灰由自卸汽车运至充填站储料灌。

2.矸石输送系统

（1）地面洗选矸石输送流程：地面洗选矸石→专用溜矸孔（直径500mm，垂深240m）→矸石缓冲仓(500m3的平巷矸石缓冲仓)→仓下胶带输送机→矸石运输下山胶带机→顺槽胶带输送机→待充巷道混合浆体搅拌→充填支巷，通过高压浆料直冲法或耙装机耙装推入采空区进行充填作业。

（2）井下煤矸分离系统主要产生粒径大于15mm的矸石颗粒，煤矸分离系统矸石输送流程：分选矸石→矸石缓冲仓→矸石运输下山皮带机→矸石运输2#皮带→矸石运输下山皮带→待充巷道混合浆体搅拌→充填支巷。

四、充填体应力-变形监测与分析

膏体连采连充技术作为一种新的采煤方法，虽然在采空区进行实物充填，接顶效果较好，但上覆岩层仍会随着煤层的采出及充填体的缓慢压实变形而受到影响，从而产生矿压显现及地表缓慢变形。因此，在充填开采的同时需要对顶板活动规律进行观测和分析。故在支巷12、20、28的25m和55m分别布置应力和位移传感器。

1. 充填体应力监测

充填体应力监测从2015年7月3日到8月30日，监测共接近2个月时间。据充填体应力变化与时间关系曲线可知，支巷12位置25、55m处压力传感器应力值未发生变化，保持初始值状态，这是由于顶板应力变化不足以引起压力计监测精度（力大于0.1Mpa时，压力值开始变化）的变化，说明巷道顶板保持稳定。支巷20位置25m处压力传感器率先出现应力升高现象，持续时间约为7天，随着时间推移有所降低并趋于稳定，推测顶板可能出现离层甚至下位顶板可能冒落，局部离层岩体厚度大约2m；此外支巷20位置55m处压力始终处于初始值，说明巷道顶板基本保持稳定。支巷28位置25、55m处压力传感器应力值未发生变化，说明巷道顶板保持稳定。

2. 充填体变形监测

充填体变形监测从2015年7月3日到8月30日，共监测接近2个月时间。据充填体变形与时间关系曲线可知，支巷12位置25m处充填体在前6天之内基本保持稳定，随着时间推移出现小幅度增加，但变形量增加很小；支巷12位置55m处充填体在前23天之内基本保持稳定，随着时间推移出现小幅度增加，但变形量增加较小。支巷20位置25m处充填体在前15天之内基本保持稳定，随着时间推移下沉量小幅度增加至1.8mm，变形量增加很小；支巷20位置55m处充填体在前15天之内基本保持稳定，随着时间推移下沉量小幅度增加至0.9mm，但变形量增加较小。支巷28位置25mm处充填体在前5天之内基本没有变形，后期变形出现增加，顶板下沉约30mm左右；支巷28位置55mm处充填体基本没有变形。

五、充填开采地表移动变形分析

1. 概率积分法地表移动变形预计

膏体充填采煤前地表沉陷预计结果是评价“三下”采煤可行性的重要依据。目前预测矿山开采沉陷普遍使用的方法是概率积分法。

运用山东科技大学研发的开采沉陷预计分析软件得到的11601充填面采后生态园下沉、倾斜、曲率变形、水平变形结果显示，该生态园各建（构）筑物地表移动变形均处于Ⅰ级损坏范围内，故11601工作面膏体充填开采后仅需对棋盘井生态园部分建（构）筑物进行简单维修或不维修。

2. 地表岩移观测与分析

为验证预计结果，将地表移动观测站设立于11601工作面的正上方，分别沿矿体走向和倾向主断面垂直布设两条观测线并在11601充填面回采期间进行岩移观测。据地表移动变形实测结果显示，各地表移动变形最值相差较小，表明应用概率积分法预计得到的地表移动变形是符合实际的。

六、 结论

1.结合11601工作面地质采矿条件提出了厚煤层短壁分层跳采矸石胶结充填技术，工作面回采长为232m，设计支巷长为80m，通过A.H.Wilson煤柱两区约束理论表明支巷合理留设宽为5m，分层连采连充。

2.现场应力监测表明充填体只有10号支巷25m处所受压力最大，为0.2Mpa，原因可能局部伪顶掉落；位移监测表明顶板下沉最大30mm。监测表明11601充填面顶板基本稳定。

3.将膏体充填采煤“等价采高”数学模型与开采沉陷预计分析软件相结合，预计裕兴煤矿11601膏体充填面采后地表移动变形，观测表明预计值与实测值相符，地表处于不充分采动状态，棋盘井生态园各建（构）筑物变形控制在Ⅰ级损害范围之内，不影响正常使用。